一次黄河气旋新生过程中湿斜压不稳定机制的数值模拟研究

作为温带气旋形成的主要机制,湿斜压不稳定在气旋动热力学研究中占据中心地位,其可进一步分为干斜压不稳定、湿不稳定、非绝热Rossby波和Type C气旋新生(对流层顶干侵入)四类。2016年7月18日黄河气旋快速生成后东移进入华北造成“7·20”特大暴雨,相比气旋成熟期,其初生阶段的动热力机制尚不清楚。本文利用ERA5再分析资料与WRF模式,对该气旋新生过程的湿斜压不稳定机制进行了数值模拟研究。模拟结果指出,对流层中低层呈非绝热Rossby波形态,即系统东移发展主要由垂直运动-非绝热效应的循环所推动,其中波动触发和传播所依赖的垂直运动更多由涡度平流提供;高层位涡汇与非地转风延缓了对流层顶干侵入位涡的东移,维持了高低层相位差,最终在干侵入前部发展出贯穿对流层的位涡柱。利用非线性片段位涡反演,分别从初始场中移除非平衡分量、对流层顶干侵入位涡、低层非绝热源位涡,设计了若干敏感性试验,结合广义垂直运动方程分析可得:本次过程斜压波必须在充足水汽条件下与非绝热过程耦合才能强烈发展,关闭潜热气旋新生将被抑制,干斜压不稳定无法解释本次过程;初始非平衡场的去除不影响本次斜压不稳定性质但将延后系统发展时间,受湿度条件和中尺度环流结构限制,低层非平衡风的活跃区域主要由干斜压动力学控制;该个例近地面位温梯度小,仅依赖低层初始位涡难以有效组织起非绝热Rossby波东传,同时有别于Type C气旋新生,高层位涡异常也不足以激发起强大的中低层非绝热加热。于本次黄河气旋新生而言,一方面要求初始低层位涡异常具有一定强度,以抵消高层干侵入前部伴随的冷却下沉对其的抑制;另一方面也需要高层位涡异常通过垂直渗透以涡度平流形式加强低层位涡东侧上升运动,在高低层初始相位差合适情况下,持续促使非绝热Rossby波东移发展,推动系统进入水汽条件更好的华北地区。干斜压不稳定、非绝热Rossby波和Type C气旋新生机制均不能独立解释本次事件,此次黄河气旋新生是在非绝热Rossby波和对流层顶干侵入混合作用下,初始时刻最优扰动增长形成的。

一个正压和斜压不稳定的充要条件

提出一个新的李雅普诺夫函数，首次得到了正压和斜压不稳定的充要条件，大大改善了熟知的Ｒａｙｌｅｉｇｈ－郭晓岚定理和Ｆｊｏｒｔｏｆｔ定理，解决了Ｒａｙｌｅｉｓｈ（１８８０）提出的无粘切变流正压稳定性问题。

斜压不稳定理论的发展历程分析

斜压不稳定理论是中高纬度地区天气尺度扰动生成和发展的机制,是继长波理论之后大气动力学上的又一重大进展,对现代天气预报具有重要的指导意义。按照斜压不稳定理论发展的时间脉络,阐述了赵九章、查尼和伊迪在斜压不稳定方面开展的研究工作,分析了3位科学家各自的研究特点及历史贡献。赵九章1946年发表在《Journal of Meteorology》上的论文,最早提出了"斜压不稳定"这一概念,给出了不稳定的临界波长,并阐述了在不稳定扰动情况下能量的转换,以及不稳定波对大气环流带来的可能影响,尽管得出的不稳定临界波长与观测差别较大,但其对波-流相互作用的讨论在当时是超前的。查尼于1947年采用滤波和尺度分析等方法,将大气扰动方程简化为一个可以求解的系统,推导出大气稳定状态的判据,建立了斜压不稳定理论,其结果与实况比较接近;并据此把准地转模式成功应用于数值天气预报实践中,促使数值天气预报获得首次成功。1949年,伊迪在查尼研究工作的基础上通过合理的简化方法,得到了更为简洁的模型。最后,通过对比他们的研究思路,重点分析了赵九章未能使得斜压不稳定理论提前一年建立的原因:由于其研究思路始终局限在大气水平运动上,忽略了斜压系统发展中散度项的贡献,因而未能抓住天气系统发生、发展的本质,致使其最终与斜压不稳定理论的成功建立失之交臂,其论文本身存在的一些亮点也因此被后人忽视。

含经圈环流的基流的斜压不稳定

基本气流含有经圈环流的斜压不稳定充要条件为:K^2<2F和(U_sk+V_s1)~2>U_0k^2.因而,对纯经向基流也可以出现斜压不稳定。在西风基流和给定经向波数1>0情况下,正经圈环流使不稳定区域增大,反经圈环流使不稳定区域减小,而在东风基流情况下,特征相反。 含有经圈环流的基流的不稳定增长率随波数变化特征与纯纬向基流的情况有着显著的不同。

Phillips模式的斜压不稳定的非线性饱和问题——位涡拟能情形

利用对应于Arnol’d第二稳定性定理的非线性稳定性判据,研究了Phillips模式的斜压不稳定的非线性饱和问题。通过选择合适的人工稳定基流,得到了扰动的波动部分位涡拟能的解析或数值的上界估计,深化了Shepherd的利用Arnol’d第一稳定性定理的结果。分析表明,解析上界估计提供了一个关于扰动的波动部分的有效约束,同时讨论了边界稳定曲线附近饱和上界估计的性质。

物理守恒保真计算与理想斜压不稳定波模拟的改进

斜压不稳定是大气波动动力学最重要的机制之一,离散数值方案对斜压不稳定发展的描述能力是模式评估的重要内容和模式改进的重要依据。利用斜压原始方程全球谱模式,进行了Jablonowski-Williamson斜压不稳定理想试验,对传统计算方案和物理守恒律保真两方案进行了模拟结果比较,发现通过保持时间离散过程中的全能量守恒,物理守恒律保真方案能够有效地改进传统方案中斜压扰动发生时间延迟的问题,并且在同等条件下增大斜压扰动的发展强度。对涡动动能收支的分析表明,斜压扰动发生时间和发展强度的改进与能量转换的特征有直接联系;在传统方案的基础上,物理守恒律保真方案由于在时间离散中保持了整体物理守恒性质,能量转换率(尤其是斜压转换率)得到显著增强,从而增大斜压扰动的强度,消息改善与中尺度相关的梯度特征等。

远距离台风暴雨过程的正/斜压不稳定

利用正 /斜压联合不稳定计算方法,分析了由 9711号台风引起的远距离台风暴雨(实况及MM4模拟结果 )过程中不同时段、不同位置的正 /斜压项。结果表明:台风暴雨初始时段的降水主要由台风系统本身正压不稳定扰动引起,随着台风与西风带系统的结合,其南北部出现了 2个雨区,均是正 /斜压联合不稳定的产物;北部雨区的斜压不稳定较明显,且有随高空急流的非纬向性增强而增强的趋势。

斜压气流中波包的演变及其对外压不稳定波的激发

把斜压气流中的短波槽看成波包，并把波包作为准地转模式的初值进行研究，发现波包的结构对其演变有重要影响，初始阶段急流轴下面向西倾斜的波包能够获得较快的发展，而向东倾斜的波包则是衰减的，这与ＷＫＢＪ方法得出的结论［１］是一致的，但是无论西倾还是东倾的波包，除了其自身随时间的演变外，还会激发出斜压不稳定波动，而且随着扰动的发展，不稳定斜压波会逐步在扰动中占主导地位。由此可以解释某些中纬度气旋的发生发展问题。

δ效应下的非纬向基本气流的斜压不稳定

在推广的β平面近似下（δ效应）对大气的两层模式研究了一般非纬向基本气流情况下的斜压不稳定.给出了基本气流斜压不稳定的影响,结果表明,在非纬向基本气流情况下,δ效应（球面效应）会使斜压不稳定更明显,β随纬度的变化可能是中高纬度产生斜压不稳定的原因之一.

因“斜压不稳定”扬名却悄然陨落的气象学家——艾瑞克·伊迪

艾瑞克·伊迪(Eric Eady,1915-1966年)是英国气象学家,他提出的斜压不稳定“伊迪模式”将流体力学的基本原理应用于动力气象学的研究,使气象学向前迈进了一大步。伊迪1915年9月5日出生于伦敦,1933年他获得国家奖学金进入剑桥大学基督学院学习数学,并于1936年毕业。

斜压基本气流对东亚夏季风区气旋扰动低频发展影响的数值模拟研究

本文将夏季气候平均的基本气流分解为正压和斜压分量,使用一个线性斜压模式,研究了不同斜压基本气流对热带西北太平洋地区初始气旋性环流扰动低频发展演变的重要作用.其中,控制试验较好地模拟出初始气旋扰动向西北方向传播、在西北太平洋季风槽附近停滞增强、在东亚地区出现经向波列和在南海到海洋大陆地区形成西北—东南向波列等特征.改变斜压分量的敏感性试验结果表明,正压基流不能为西传的初始扰动供给足够的能量;海陆热力差异引起东亚地区的纬向温度梯度和北风垂直切变,是东亚太平洋型经向波列形成和维持的重要因素;当基本气流中的斜压纬向偏差部分线性增大时,扰动的能量会呈e指数迅速增强,提示在气候变化的背景下,基本气流微小的改变可能带来天气或季节内扰动强度的剧烈响应.

不稳定横波型扰动谱点分布的半圆定理

作者在理论上对不稳定横波型扰动的谱点分布作了分析，得到了该不稳定扰动谱点分布的半圆定理，即谱点分布在复平面上以原点为圆心 以Ｒ０为半径的下半圆域上；并发现扰动的波长越短、模式层顶越高、静力稳定度参数的绝对值越大、基流的垂直切变越大、纬度越高则该半径就越大。

理查逊数与中尺度扰动稳定性的关系

本文通过用摄动方法求解对数压力坐标系下原始方程组的线性解,来研究理查逊数与中尺度扰动的稳定性的关系,得出了零级近似和一级近似下对称不稳定以及零级近似下几种特殊的斜压不稳定判据。

赤道不稳定波能量收支的数值模拟分析

最新海表温度卫星观测资料分析表明在赤道东太平洋和大西洋附近存在赤道不稳定波（tropical instability waves）。赤道不稳定波通常于每年春末夏初出现，以约0．6m／s速度向西传播，周期为20。40天左右，波长约为1000～2000km，可改变赤道附近海洋的热量平衡，并引发强烈的局地海气作用。利用ccs刚NIEs，FRcGcAOGCMMIROC100年的模式输出结果，计算了赤道不稳定波的爆发时间、波长、传播速度、周期，并与观测资料作对比分析，以考察模式对赤道不稳定波的模拟能力。结果表明，模式较好地再现了热带太平洋的海洋内部中尺度动力-热力作用过程，成功模拟了赤道不稳定波的基本特征，发现赤道不稳定波主要存在赤道南北不超过6个纬度的浅层海洋中，除赤道表层外4～6°N海洋温跃层中也有赤道不稳定波。对赤道不稳定波的能量进行诊断分析表明其能量主要来自赤道附近洋流经向切变产生的正压不稳定，赤道以北海洋温跃层中赤道不稳定波能量主要来自由浮力作用产生的斜压不稳定，两者的共同作用形成了赤道不稳定波的赤道不对称结构。

雅浦-马里亚纳海沟连接区深层流季节内变异的特征和机制

雅浦-马里亚纳海沟连接区东深水通道是太平洋深层经向翻转环流携带南极绕极水进入西太平洋的首要入口。基于高分辨率的再分析数值模型结果,研究发现该通道深层流速和温度具有显著的40~90d周期的季节内变异,且季节内变异强度随深度的增加而增加,进一步研究揭示地形罗斯贝波(topographic Rossby waves,TRW)是引起上述季节内变异的主要原因,TRW波解可以解释深层流和温度季节内振幅的垂向变化。通过建立全水体的动力关联研究发现TRW在不同时刻具有不同的能量来源,首先次表层强涡旋经过时可以通过位涡守恒激发深层的TRW;第二,大洋中层存在的强涡旋也可激发深层的TRW;第三,深层平均流可以主要通过正压不稳定过程向季节内TRW提供能量。

高低指数环流不连续性周期振荡的物理机制研究

本文结合弱非线性理论和动力分歧理论,分析了高低指数环流不连续性周期振荡的物理机制。结果表明:当垂直切变足够大时,西风环流将在低指数和高指数之间不连续性周期振荡,其产生的原因主要有三个方面:(1)斜压波振幅的分歧,是造成纬向环流和经向环流转换在比较短时间内完成的原因;(2)对流层中上层流场的非线性特征,是产生偶极型阻塞形势的关键,而斜压波振幅变化率的方波特征,是能够较长时间维持具有偶极型阻塞形势经向环流的原因;(3)斜压波振幅及振幅变化率通过周期性的调节非线性项大小,控制偶极型阻塞形势的发展和消亡,是维持整个西风环流在纬向环流和经向环流间无限周期循环的原因。

2003年7月3日梅雨锋切变线上的β-中尺度暴雨云团分析

利用多种气象卫星遥感资料及加工产品,对2003年7月3日产生在皖北的暴雨过程进行了中尺度分析。分析表明:在切变线云带上有11个β-中尺度对流云团发展,水平范围约100 km,生命史约5 h;其背景场是整个对流云区内具有高湿、正涡度和上升运动的特征,它们促使切变线内高湿斜压不稳定能量释放,促使β-中尺度云团发展,产生很强的降水,云团的水凝物廓线上部的可降水冰和云冰含量很高,最大值达0.8 g/kg,最大高度达18 km,云顶亮温低于-80℃。

高空急流与中纬度系统影响下台风暴雨的研究现状

我国暴雨天气中 ,台风是最强的暴雨天气系统。当台风外围系统与西风槽相互作用时往往发生暴雨突然增幅现象 ,造成严重灾害。以往大量的研究表明 :台风和中纬度系统相互作用引起的远离台风的北段暴雨大多发生在西南风高空急流区的右后方 ,高空急流有明显的非纬向特征 ,而且暴雨增幅与高空急流的非纬向增强有关。对有关高空急流与中纬度系统影响下台风暴雨的研究进行了综述 。

ENSO循环相关的海洋异常信号传播特征及其机制

通过分析最新的海洋模式同化资料(EstimatingtheCirculationandClimateoftheOcean,EC CO),研究了ENSO循环相关的海洋异常信号在太平洋中的传播过程。研究发现,导致ENSO位相变化的温跃层异常信号主要从北太平洋西传而来,该区与赤道东太平洋相反的温跃层异常信号到达西太暖池区,再从西太暖池沿赤道传到东太平洋,可使ENSO向反位相发展。该异常信号沿赤道东传过程中热带西南太平洋也会出现类似的温跃层异常变化,但是随着异常信号东移和从南太平洋东边界10°S左右传来的反异常信号入侵,热带西南太平洋的异常信号逐渐减弱并消失。稳定性分析表明,北太平洋较大面积区域存在斜压不稳定性或正压不稳定性,有利于ENSO相关的温跃层异常信号以Rossby波形式有效地西传;而在南太平洋,不稳定区的面积较小,且主要局限于海盆东侧,因而传播较弱,这样就造成了ENSO信号在太平洋南、北半球的非对称传播。一般来说,ENSO信号主要在以赤道波导区、东边界、北太平洋纬向区域和西边界组成的回路中循环,在南半球的传播不明显。

北半球温带气旋的变化

许多学者对近半个世纪以来温带气旋的频数、强度和路径的年际、年代际变化等特征进行了研究,并探讨了温带气旋变化与大气环流的关系,试图揭示气候变暖背景下温带气旋变化的可能原因。较为一致的研究结论是:在全球变暖背景下,北半球气旋活动的变化显示出在中纬度明显减少,而在高纬度增加的趋势,意味着气旋的路径已经明显地北移。研究还表明,气旋活动的变化与对流层斜压性、急流以及北大西洋涛动、海温梯度等因素有关。